固体物理--晶体结合与弹性常量 3.3 共价晶体

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1、1.氢分子中的共价键氢原子：电子处于1s能级+-氢分子：两个电子的1s轨道发生交叠，不再处于氢原子的1s能级分子轨道的波函数可选为原子波函数的线性组合，有两种组合方式对应形成两个能级，分别称为成键态能级和反键态能级1成键态：两电子的自旋方向相反反键态：两电子的自旋方向相同2成键态的电子绝大部分分布于两氢核之间，每个电子都为两氢原子所共有，依靠两电子的负电把带正电荷的两氢核仅仅束缚在一起形成稳定的共价键反键态的两电子各自分布在两氢核的两侧，不能使两个氢原子结合在一起3氢分子相对于分立中性氢原子的能量42.共价键的饱和性和方向性饱和

2、性是指一个原子只能形成一定数目的共价键例子氮原子有7个电子：1s2,2s2,2p33个2p(px,py,pz)电子自旋未配对，它们可以与其它原子形成3个共价键5当两个氮原子沿着z轴方向靠近时，两个pz电子相互交叠，交叠后的原子对称地分布在两氮原子连线的周围，形成的共价键常称为s键两px轨道交叠后的电子对称分布在yz平面的两侧，这样的共价键常称为p键；其它两py电子同样形成一个p键6价电子壳层如果不到半满，能形成共价键的数目与价电子相等；当价电子壳层超过半满时，由泡利原理，部分电子必须自旋相反配对，能形成共价键的数目少于价电子数，

3、对于IV-VII族元素依靠共价键结合，共价键的数目满足8-N规则饱和性7方向性是指原子只在特定的方向上形成共价键，一个原子在价电子波函数最大的方向上形成共价键例如p电子的波函数具有哑铃的形状，便是在对称轴方向上形成共价键由于共价键的方向性，原子在形成共价键时可以发生轨道杂化8轨道杂化碳原子有6个电子：1s2,2s2,2p2，共有2个未配对电子，但碳原子在与其它原子结合的过程中，1个2s电子常被激发到2p轨道，形成如下激发态1s2s2p1s2s2p这样4个价电子全变成未配对的电子，一个碳原子便可以形成4个共价键，也满足8-N规则9

4、电子激发到高能态，单个碳原子的能量升高，但是可以使碳原子形成更多的共价键，在和其它原子结合时降低的能量完全可以抵偿电子有2s能态激发到2p能态时升高的能量10碳原子的4个未配对电子：2s,2px,2py,2pz碳原子与4个氢原子形成加CH4，碳原子的3个2p轨道成相互垂直的哑铃状，而2s轨道和氢原子的1s轨道则是球状因此3个2p电子与氢的1s电子形成的价键应相互垂直，而2s电子与氢的1s电子的价键则可以在任何方位；但实验指出CH4的4个共价键呈对称分布，为何？11理论上认为，4个未配对电子2s,2px,2py,2pz轨道相互混合

5、，重新组合成4个新的未配对的sp3杂化轨道这4个杂化轨道分别沿四面体的4个对称方向，与氢原子形成4个稳定的s键12133.共价晶体共价键的饱和性，决定了共价晶体的配位数只能等于原子的共价键数，而具体的晶体结构又决定于共价键的方向性最典型的晶体是IV族元素C、Si、Ge所形成的共价晶体。它们都有4个价电子，形成四面体键，其晶体结构为金刚石结构144.极性键和非极性键同种元素原子形成共价键后配对的电子密度主要出现在两原子中间，电子在各原子处出现的概率相等，两原子间不会有偶极矩产生，常称之为非极性键不同元素的原子形成共价键后配对的电子

6、密度常偏向于电负性较大的原子一方，这种共价键常伴有电偶极矩的存在，常称为极性键——实际为共价结合与离子结合的混合体155.共价晶体的内聚能共价晶体的内聚能计算较为复杂，需要采用量子力学的方法6.离子晶体与共价晶体离子晶体与共价晶体之间其实不存在绝对的界限，重要的问题往往在于估计一个给定的键在多大程度上是离子性的或是共价性的16